Ters Carnot Çevrimi ve Soğutmanın Temelleri

TERS CARNOT ÇEVRİMİ VE SOĞUTMANIN TEMELLERİ

Önceki yazılarımda Termodinamiğin temellerini, Carnot Çevrimini ve enerji verimliliğinde yalıtımın önemini arz etmiştim. Bugünkü yazımda, Carnot Çevriminin soğutma çevrimine nasıl dönüştürüldüğünü anlatacağım.

Evlerinizde kullandığınız buzdolapları ters carnot çevrimi ile çalışmaktadır. Mutfağınızda çalışmakta olan buzdolabınızın kapağını açık bırakırsanız, mutfağın sıcaklığı ne azalır ne de artar. Çünkü buzdolabınız soğutma bölümünden çektiği ısıyı, arkasındaki radyatöründen odaya tekrar atacaktır.

Fakat soğuk bir kış gününde, buzdolabınızın kapağını açıp, açık kısmı çevreye, arkasındaki radyatörü odaya doğru yerleştirirseniz, buzdolabınız dışarıdan ısı çekip odaya atacaktır.

Tam tersini düşünürsek, sıcak bir kış gününde, buzdolabınızın kapağını açıp, açık kısmını odaya, arkasındaki radyatörüde dışarı çevreye çevirirseniz, buzdolabınız odadan ısı çekip, dışarıya atacaktır.

Peki, buzdolabınız bunu nasıl yapıyor?  Buyurun beraber inceleyelim.

• Carnot Çevrimi Uygulaması

Carnot çevrimini şematik olarak gösterirsek, karşımıza aşağıdaki gibi bir resim çıkacaktır.

 Görüldüğü üzere, sıcak kaynaktan ısı çeken bir makine, bu ısının bir kısmını iş olarak verir ve bir kısmınıda soğuk kaynağa atar. Bu olay kendiliğinden gerçekleşen bir olaydır çünkü ısı, sıcak kaynaktan soğuk kaynağa kendiliğinden akar. Fakat soğuk bir ortamdan ısı çekip, sıcak bir ortamı ısıtmak isterseniz, sisteme iş (enerji) vermeniz gerekir. Eğer siz bu sisteme iş verirseniz, soğuk kaynaktan ısı çekip, sıcak kaynağa atabilirsiniz. Onunda şematik gösterimi aşağıdadır.

Peki nasıl oluyorda, Carnot çevrimini gerçekleştirirken iş aldığımız bir sisteme biz iş verince sistem tersine çalışabiliyor?

            Sistem tersine çalışabiliyor çünkü çevrim adımları tersinirdir. Bir klima veya buzdolabı ters carnot çevrimi gerçekleştirmektedir.

Şimdide, ters carnot çevrimini irdeleyelim. Ters carnot çevriminin gerçekleşmesi demek, soğuk kaynaktan sıcak kaynağa ısı akması demektir. Bu işlem kendiliğinden olamaz. Mutlaka bir iş (enerji) verilmesi gereklidir.

• Ters Carnot Çevrimi ( Soğutma Çevrimi)

Bu bölümde yukarıda kabaca şemasını ve açıklamasını verdiğim ters carnot çevrimini irdeleyeceğiz.

1)      Sıkıştırma: Bu adımda, sistem akışkanı bir kompresörce yüksek basınca sıkıştırılır.

2)   Yoğuşma :Yüksek basınca sıkıştırılan akışkan, bir yoğuşturucudan geçirilir. Bu esnada akışkan, basıncından dolayı kazanmış olduğu sıcaklığını dışarı yani sıcak ortama atar.

3)   Kısılma: Kesit alanı farkı olan borulardan veya kısılma vanasından geçirilen akışkanın dinamik basıncı artarken, statik basıncı azalır. Bu esnada, soğutucu akışkan karakteristik özelliği gereğince ani olarak soğur.

4)  Buharlaşma: Kısılmadan sonra sıcaklığı düşmüş olan akışkan, soğutulacak ortamdaki bir radyatörden geçirilirken, ortamdan ısı çeker ve kendisi buharlaşır. Böylece ortam soğutulmuş olur.

  (4: Sıkıştırma, 1: Yoğuşturucu, 2: Kısılma, 3: Buharlaştırıcı)

Sistem sürekli tekrarlanırsa bir çevrim oluşturur ve bu çevrimi yapan makinelere soğutma makinesi denir.

Sistemin verimine gelinirse, bir carnot çevriminde maksimum verim “1- (TL / TH)” olarak tanımlanmıştır. Fakat, ters carnot çevriminde, yani soğutma çevriminde sistem verimi sadece 0 ile 1 arasında olmak zorunda değildir. 1 den büyükte olabilir. Verimin teorik olarak 1 den büyük olma durumu kabul görmeyeceğinden, bilim insanları bu kavrama “Performans Katsayısı” (Coefficient of Performance) demişlerdir.

COP’ nin tanımını yapmam gerekirse, kafamda kurduğum bir tanımı aksettireyim.

Mesela farz edelim ki, bir ortamda 2 kW ısı çekmek istiyoruz. Buna karşılık soğutma çevrimini gerçekleştirip, soğutma makinesini çalıştırabilmeniz için kompresöre 1 kW iş vermeniz gereksin. Bu esnada açıkça görülen ve göze çarpan bir şey vardır ki oda, 1 kW işe karşılık 2 kW ısı geçişi olmasıdır.

Termodinamiksel olarak bu olayın gerçekleşmesi imkânsızdır. Aslında burada olan şey, 1 kW lık işe karşı alınan 2 kW lık ısı değildir. Sizin verdiğiniz 1 kW lık iş, akışkanı sıkıştırılmasına ve tesisat içerisinde sirküle etmesine harcanır. Akışkan kendi karakteristik özelliği gereğince kısılma esnasında ani soğur. Bu yüzden soğutulan ortamdan fazlaca ısı çekebilir. Zaten çektiği bu ısı enerjisini de yok etmez, sıcak bir ortama atarak çevrimi tamamlar. Yani sisteme giren- çıkan toplam enerji birbirine eşittir. Bu esnada sistemin verimli olması COP ‘nin fazla olmasına sebebiyet verir. Sistemin verimini de, sadece sıcak-soğuk kaynaklar arasındaki sıcaklık farkı belirler. “1 – ( TL / TH)” Bu eşitlik carnot verimidir. COP ise , “(QH / W)” eşitliğinden bulunur.

 

Sistemin T-S (Sıcaklık- Entropi) diyagramı yandaki gibidir.

  

(Kaynak: http://en.wikipedia.org/

wiki/Vapor-compression_

refrigeration)

Aşağıdaki diyagramda ise, buzdolabının çalışma prensibi daha açık bir şekilde verilmiştir.

• Soğutma Sisteminin Verimliliği

Bir soğutma sisteminin verimini, nasıl carnot verimini sıcak ve soğuk ısı deposunun arasındaki oran etkiliyorsa, yine aynı oran doğrudan etkiler. Fakat bu oran, alınabilecek maksimum verimi tanımlar. Fakat uygulamada asla o kadar yüksek verimlere ulaşılamaz.

Bizim o verime yaklaşabilmemiz için;

1)      Soğutma sistemini iyi yalıtmamız gereklidir.

2)      Buharlaştırıcı ve yoğuşturucu radyatörlerinin kanat verimliliğinin arttırılması gereklidir.

3)      Akışkan olarak, iyi kısılma özelliği gösteren ve ısı iletim katsayısı yüksek akışkanlar kullanılmalıdır. ( Freon gazları en uygunları arasındadır.)

4)      Kompresör olarak kullanılacak pompalama sisteminin motoru, elektrik motoru seçilmelidir. İçten yanmalı bir motora göre, elektrik motorlarının verimleri daha yüksektir.

5)      Kısılma olayının gerçekleştirilmesi için, kılcal borular yerine kısılma vanası kullanılması daha uygundur. Kısılma vanalarında statik basıncın düşürülmesi olayı daha uygundur.

Bu yazımda, Carnot çevrimi yazımı tamamlayan ters Carnot çevrimini ve soğutmanın temelini arz etmeye çalıştım. Yazılarıma ve yeni araştırmalarıma devam etmekteyim. Takipte kalınız.

Okan Gençoğlu

Malzeme Bilimi ve 
Mühendisliği Öğrencisi